微流控芯片是將樣品預(yù)處理、分離、檢測(cè)和分析過程集成在幾平方厘米的小尺度芯片，具有小體積、低消耗、多功能集成、高質(zhì)量傳輸、高分析通量等優(yōu)異性能，在生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、致病菌檢測(cè)、食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但微流控芯片體積較小，且流道尺寸處于微米量級(jí)，使得難以直接獲取流道特征。 據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自大連理工大學(xué)無(wú)損檢測(cè)研究所的研究人員于《應(yīng)用聲學(xué)》期刊發(fā)表論文，應(yīng)用超聲C掃描技術(shù)分析微流控芯片流道特征，比較了不同中心頻率探頭與掃描步進(jìn)下的流道辨識(shí)結(jié)果，并進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。 圖1給出了超聲C掃描示意圖。其中，聚焦探頭通過逆壓電效應(yīng)激勵(lì)產(chǎn)生超聲信號(hào)，利用水層作為耦合劑傳遞至微流控芯片，并在芯片內(nèi)部傳播。探頭在芯片上方沿著X軸、Y軸和Z軸運(yùn)動(dòng)，通過控制Z軸使焦點(diǎn)位于流道表面。設(shè)置掃查范圍，使探頭沿著X軸和Y軸按規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng)，覆蓋芯片范圍。當(dāng)超聲信號(hào)在傳播過程中遇到流道與芯片的異質(zhì)界面時(shí)，根據(jù)材料聲學(xué)特性差異，部分能量將會(huì)發(fā)生反射，其接收信號(hào)幅值不同于其他區(qū)域。 圖1 微流控芯片超聲C掃描示意圖 ? 如圖2所示，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為兩個(gè)具有不同流道寬度和布局的微流控芯片試樣。微流控芯片上層材料為聚二甲基硅氧烷（PDMS），下層材料為有機(jī)玻璃，二者以等離子鍵合。 ? 圖2 微流控芯片試樣及流道示意圖（單位：μm） ? 超聲C掃描結(jié)果與探頭類型、掃描步進(jìn)等檢測(cè)參數(shù)直接相關(guān)。基于此，研究人員對(duì)比了不同檢測(cè)參數(shù)下的微流控芯片C 掃描圖像，并分析流道表征結(jié)果。針對(duì)試樣1，選用中心頻率5MHz與10MHz的聚焦探頭，掃描步進(jìn)0.1mm，圖3給出了對(duì)應(yīng)的超聲C掃描圖像。結(jié)果顯示，中心頻率5MHz探頭所得圖像較為模糊；相比之下，隨著檢測(cè)頻率提升，取向多變的流道輪廓表征效果得到改善。圖4給出了C掃描圖像中流道橫截面區(qū)域的顏色幅值變化曲線。對(duì)比可見，5MHz探頭檢測(cè)時(shí)的流道間峰谷值波動(dòng)較小，而10MHz檢測(cè)頻率下的曲線起伏明顯，且相對(duì)更加平滑，有助于確定流道數(shù)量及變化。因此，應(yīng)盡量選擇高頻（如10MHz以上）、小焦斑探頭檢測(cè)微細(xì)尺寸流道，以提升流道特征辨識(shí)能力。 ? 圖3 不同檢測(cè)頻率下的試樣1超聲C掃描圖像 ? 圖4 不同檢測(cè)頻率C掃描圖像流道橫截面幅值變化曲線 ? 掃描步進(jìn)主要影響成像效率和檢測(cè)效果。研究中利用中心頻率10MHz探頭，分別采用0.5mm、0.2mm和0.1mm掃描步進(jìn)，對(duì)流道寬度200μm的試樣1進(jìn)行超聲C掃描檢測(cè)，結(jié)果如圖5所示。在不同掃描步進(jìn)下，均可辨識(shí)流道特征變化，但表征效果存在差異。結(jié)果顯示，雖然檢測(cè)頻率和增益等參數(shù)相同，但流道寬度僅為200μm，掃描步進(jìn)越大，越難以捕捉到流道區(qū)域的峰值信息，導(dǎo)致C掃描圖像分辨力降低。因此，實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)選擇小的掃描步進(jìn)檢測(cè)微細(xì)尺寸流道，以提高流道表征分辨力和定量精度。 ? 圖5 不同掃描步進(jìn)下的試樣1超聲C掃描圖像 ? 綜上所述，微流控芯片流道寬度處于微米尺度，存在特征辨識(shí)困難的問題。該研究選取兩種具有不同流道寬度和布局的典型微流控芯片，采用超聲C掃描技術(shù)進(jìn)行流道特征成像。利用標(biāo)稱中心頻率15MHz、10MHz和5MHz的聚焦探頭實(shí)施水浸C掃描檢測(cè)，并分析中心頻率、焦斑直徑、掃描步進(jìn)等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)流道表征的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于流道寬度200μm的微流控芯片，當(dāng)探頭中心頻率不低于10MHz、掃描步進(jìn)不超過0.1mm時(shí)，成像分辨力和流道表征效果最佳，且流道中心間距測(cè)量誤差不超過5%。 ? 論文鏈接： https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2121.O4.20221031.1742.002.html ? 審核編輯 ：李倩 ?